Файл: РадБезЛР.pdf

Рис. 3.3. Тестовое изображение

3.4.Для перехода из режима «1» в другие режимы в течение 5–10 с удерживайте нажатой кнопку «ПАМЯТЬ. РЕЖИМ», на табло появится индикация «2», отпустите кнопку и индикация «2» исчезнет, и прибор будет работать в этом режиме.

3.5.Для возвращения из любого режима в «1» в течение 5–10 с удерживайте нажатой кнопку «ПАМЯТЬ. РЕЖИМ», появится индикация «1», отпустите кнопку и прибор будет работать в «1» режиме.

3.6.Измерение плотности потока альфа-бета-излучения производите только с вычитанием фона. При включении прибора на табло индицируется

значение фона, единица измерения плотности потока «min–1 cm–2» и значение статистической погрешности.

3.7.Нажмите кнопку «ПУСК» и в течение 10–15 мин измерьте фон. При достижении статистической погрешности ( = 20%) завершите набор фона. Занесите полученные значения в память прибора, для чего:

а) удерживайте нажатой в течение 1–2 с кнопку «ПУСК». При этом измерение останавливается и на табло перед значащими цифрами появляется индикация « ▌»;

б) нажмите кнопку «ПАМЯТЬ. РЕЖИМ» – запоминается значение фо-

на;

в) перейдите в режим измерения с вычитанием фона. Для этого в течение 1–2 с удерживайте нажатой кнопку «ПУСК», после чего появится мигающая индикация « ▌» – начинается процесс измерения.

3.8.Для измерения плотности потока альфа-частиц установите источник альфа-излучения вплотную к входному окну блока. Нажмите кнопку

«ПУСК» и при достижении статистической погрешности ( = 20%) с табло считайте результат измерения и запишите в таблицу.

29

Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 4

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЯ С ВЕЩЕСТВОМ

Цель работы: изучение механизмов взаимодействия гаммаизлучения с веществом; проверка закона ослабления потока гамма-квантов, проходящего через поглотитель; определение массового коэффициента ослабления вещества и энергии гаммаквантов радиоактивного источника.

1. Основные теоретические положения

Источником гамма-излучения являются возбужденные ядра образованные в результате альфа-, бета-распада или других радиоактивных превращений. Возбужденные ядра в течение 10–12 с переходят в основное состояние, испуская избыток энергии в виде фотонов. Если значком «*» обозначить возбужденное состояние ядра, то процесс излучения фотона может быть записан так:

где h – энергия фотона, испускаемая при переходе ядра из одного энергетического состояния в другое.

Гамма-излучение – коротковолновое электромагнитное излучение с чрезвычайно малой длиной волны 10–10 м (0,1 нм). Это излучение имеет квантовый характер, т. е. испускается и распространяется в среде и поглощается веществом в виде отдельных дискретных квантов-фотонов. Фотон с энергией больше 100 кэВ обычно называется гамма-квантом.

Гамма-кванты не обладают ни зарядом, ни массой покоя. Их испускание не приводит к образованию ядер новых элементов. Возбужденное и стабильное ядро одного элемента отличается только энергией, т. е. при гамма-переходах изменение зарядового числа Z и массового числа А не происходит.

Гамма-кванты при прохождении через вещество взаимодействуют с электронами атомов и электрическим полем ядра, в результате чего происходит ослабление интенсивности первичного пучка гаммаизлучения. Потеря энергии происходит вследствие протекания следующих независимых процессов: фотоэффекта, комптоновского рассеяния (эффект Комптона) и образования электронно-позитронных пар.

31

Фотоэффект – процесс поглощения гамма-кванта атомным (связанным) электроном, при котором электрон покидает пределы атома. Такие электроны называются фотоэлектронами. Фотоэффект чаще происходит при малых значениях энергии гамма-квантов и резко уменьшается с ее увеличением (рис. 4.1). Наиболее интенсивно фотоэффект происходит в тяжелых ядрах при энергии фотонов от 0,001 до 0,2 МэВ. При этом гамма-квант поглощается каким-либо орбитальным электроном с K-оболочки. Место выбитого электрона на внутренних оболочках заполняет один из внешних или свободных электронов. Переход электрона с внешней оболочки на внутреннюю сопровождается излучением фотона характеристического рентгеновского излучения.

Комптоновское рассеяние, или эффект Комптона (рис. 4.2). При этом эффекте в результате упругого столкновения с внешним (валентным) электроном гамма-квант передает ему часть своей энергии (электрон отдачи) и отклоняется от первоначального направления распространения, а остальная часть энергии передается вторичному (рассеянному) гамма-кванту. Этот процесс протекает при любых энергиях гамма-квантов, но преимущественно с энергией от 0,2 до 1 МэВ.

Гамма-квант передает электрону часть своей энергии, которая переходит в кинетическую энергию электрона (Ее) и расходуется вторичным электроном на ионизацию атомов вещества. Соответственно уменьшается энергия гамма-кванта (Е ), при этом изменяется направление его движения. Процесс уменьшения энергии гамма-квантов и рассеяния их электронами получил название Комптон-эффекта (неупругое рассеяние).

Образование электронно-позитронных пар. Это процесс взаимо-

действия фотонов с веществом, при котором энергия фотона в элек-

32

трическом поле ядра (на расстояниях порядка 10–13 м) или электрона переходит в энергию массы покоя электрона е и позитрона е (рис. 4.3). Это взаимодействие возможно, если гамма-квант имеет энергию, равную или большую 1,022 МэВ. Это объясняется тем, что энергия покоя электрона и позитрона соответственно равна 0,511 МэВ и на их образование расходуется 1,022 МэВ.

Рис. 4.3. Образование электронно-позитронной пары

При энергиях фотонов значительно больше 1 МэВ происходят процессы образования пар в кулоновском поле электрона.

Пара е и е образуется вследствие взаимопревращений элементарных частиц, входящих в состав ядра. Вся избыточная энергия, которой обладает гамма-квант сверх 1,022 МэВ, сообщается поровну в виде кинетической энергии электрону и позитрону. Образованная при этом пара электрон и позитрон расходует свою кинетическую энергию на ионизацию среды, после чего позитрон аннигилирует, соединяясь с одним из имеющихся в среде свободных электронов. При аннигиляции позитрона с электроном образуются два вторичные гамма-кванты, которые разлетаются в противоположные стороны. Угол между направлениями распространения каждой пары аннигиляционных фотонов равен примерно 180 (см. рис. 4.3).

На рис. 4.4 показана относительная вероятность поглощения фотонов разных энергий E стандартной биологической тканью для трех процессов: фотоэффекта, комптоновского рассеивания и образования электронно-позитронных пар.

Ионизирующая способность гамма-квантов при одинаковой энергии гамма-квантов и альфа-частиц и при одинаковой взаимодей-

33

ствующей среде в тысячи раз меньше, чем ионизирующая способность альфа-частиц.

Рис. 4.4. Относительная вероятность поглощения фотонов различных энергий:

1 – фотоэффект; 2 – эффект Комптона; 3 – рождение пар

В воздухе линейная плотность ионизации (ЛПИ) гамма-квантов составляет 2–3 пары ионов на 1 см пути пробега. Проникающая способность гамма-квантов в воздухе составляет сотни метров.

При прохождении узких моноэнергетических пучков фотонов через вещество энергия пучков не изменяется, а постепенно уменьшается их интенсивность I по причине столкновения фотонов с электронами и ядрами.

Термин «узкий пучок фотонов» означает в данном случае то, что любое взаимодействие фотона с веществом выводит его из пучка. Если на поверхность вещества падает пучок с интенсивностью I0, то на некоторой глубине x его интенсивность уменьшается и будет равной I, это значит, что

I I0.

Для однородной среды ослабление узкого пучка фотонов происходит

где I – интенсивность гамма-излучения на глубине х в веществе; I0 интенсивность гамма-излучения при входе в вещество; линейный коэффициент ослабления, измеряемый в см–1.

Коэффициент состоит из коэффициента поглощения при фотоэффекте ф, коэффициента ослабления при Комптон-эффекте K и коэффициента поглощения при образовании электронно-позитронных пар пар

34